矿用变频调速局部通风机的模糊控制技术.pdf

第 3 1 卷 第 4 期 煤 炭科 学 技 术 2 0 0 3 年 4 月 矿 用变频调速局 部通风 机的模糊控 制技术 祝龙记 ，王汝琳。 1 ．中国矿业大学 北京校 区．北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．安徽理工大学 电气工程系，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 摘要介绍了掘进工作面局部通风的要求以及变频调速在局部通风机上的应用，提出了一种先进 的模糊控制器及其解耦设计方式，实现了瓦斯浓度与局部通风机风机变频调速的模糊控制，不仅提 高 了通风控制性能和 自动化水平，而且 节能效果非常显著。 关键词 局部通风机 ；模糊控制；瓦斯传感器；变频器 中图分类号 T D 7 2 4 文献标识码 A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 0 3 0 4 0 0 0 7 0 3 Fu z z y c o n t r o l t e c h no l o g y f o r m i ne l o c a l f a n wi t h f r e qu e nc y I nv e r t e r s p e e d c o nt r o l Z H U L o n g - j i ’ ． - ， WA N G R u ． 1 i n ’ 1 ． B e ing C a m p u s ．C h i n a U n i v e r s i t y o fM／ n ／ n g a n d T ech n o ／ ngy ， ／ ng 1 0 0 0 8 3，C h ／ n a ； 2 ． D e p a r t m e n t of E l e c t r i c E n g i n e e r i n g， A n h u i U mve it y ofS c ie n c e a n d T e c h n o l o g y ．H nain a n 2 3 2 0 0 1 ， Ab s t r a c t T h e p a p e r s t a t e d t h e v e n t i l a t i o n r e q u i r e me n t s o f t h e mi n e l o c a l f a n u s e d i n mi n e r o a d wa y e x c a v a t i o n f a c e an d t h e a p p l i c a t i o n o f f r e q u e n c y i n v e r t e r s p e e d c o n t r o l t o t h e mi n e l ocal f an．T h e p a p e r p r o v i d ed an a d v an c e d f u z z y c o n t r o l l e r an d the d e cou p l i n g d e s i g n me t h o d， w h i c h c o u l d h a v e a f u z z y c o n t r o l f o r t h e g a s c o n c e n t r a t i o n a n d the f req u e n c y c o n v e r t s p e e d c o n t r o l o f mi n e l o c a l f an ． Th e z y c o n t r o l t e c h n o l o g y h as n o t o n l y i mp r o v e d t h e v e n t i l a t i o n c o n t rol pe r f o r man c e s a n d a u t o ma t i o n l e v e l o f the f an ，b u t h as a n o b v i o u s e n e r g y s a v i n g b e n e fit ． Ke y wor dsmi ne l o c a l f a n；f uz z y c o nt rol ； g as s e n s o r ；i n v e rte r 1 变频调速器在局部通风中的应用 随着掘进工作面的推进，巷道进尺、风筒阻力 加大，瓦斯浓度也有很大变化 ，局部通风机恒速运 转是无法满足需要的。如果以满足工作面人员需要 的风量 人均 4 m ／ m i n 为原则 ，以变化的瓦斯 浓度为参量 ，控制局部通风机的转速，自动大范 围 地连续调节局部通风机转速 ，使其在最佳的工况条 件下运转 ，合理地控制供风域的风量 ，就会大量节 省局部通风机由于长期恒速运转造成 的能量浪费 ， 同时也 自动地将瓦斯浓度控制在安全范 围之内。 矿用隔爆变频调速器可实现对局部通风机的转 速控制，从而达到控制风量 ，节约能源的 目的。因 为风机负载具有 以下特点 Q。 C r t ，M。 C r t ，P。 C r t Q流量，M 转矩 ，P功率 。流量的少量变 化，即可使所需功率成三次方比例改变，因而采用 基金项目安徽省教育委员会 自 然科学研究项目 2 0 0 1 k j2 1 8 降低转速的方法控制流量，节能效果十分显著 J 。 局部通风的目的是给掘进工作面提供正常供风 和瓦斯排放。正常供风和瓦斯排放的监测由风速传 感器和瓦斯传感器来实现。高瓦斯掘进工作面瓦斯 传感器应布置在工作面的进风流、工作面、回风流 3处。瓦斯传感器 T 。 装在掘进工作面附近 ≤5 m ，其 瓦斯报警 浓度 为 1 ． 0 ％ C H 。 ，断 电浓度 为 1 ． 5 ％C H 。 ，复电浓度为 1 ． 0 ％C H 。 。T 2 装在掘进工 作面人口附近，监控回风流中瓦斯变化，报警浓度 为 1 ． 0 ％C H 。 ，断电浓度为 1 ． 1 ％C H 。 ，复电浓度为 1 ． 0 ％C H 。 。T 装在串联工作面进风流处，监控串 联工作面进风流处瓦斯变化，其报警浓度为0 ． 5 ％ C H 。 ，断电浓度 为 0 ． 6 ％ C H。 ，复电浓 度 为 0 ． 5 ％ C H 。 【 2 J 。掘进工作面风速传感器 F 与 T 布置在一 起，工作面的正常风速一般在 0 ． 2 5 m ／ s 左右。 正常通风状态，在满足掘进工作面工作人员用 风量的前提下，若瓦斯浓度增加 ，局部通风机转速 随之上升，供风量加大，又使瓦斯浓度降低，局部 7 维普资讯 第3 1 卷 第4 期 煤 炭科 学 技 术 2 0 0 3 年4 月 通风机转速又随之下降，但又要满足正常供风的要 求。对于这种 自动控制的要求 ，必须寻找到输入量 瓦斯浓度 、风速与输 出量 变频风速转速 的 对应关系。但在掘进工作面，局部通风机所需风量 与诸多因素有关，如巷道的长度、风阻、瓦斯浓度 等。而巷道内瓦斯的涌出又是随机的，要寻找瓦斯 浓度与局部通风机转速的数学模型是不现实的，即 使能找到 ，也很难取得满意的控制效果 。考虑到这 种非线性 、多耦合 、多干扰 、纯滞后系统 ，拟采用 模糊控制方法来实现局部通风的 自动控制- ] J 。 2 局部通风机的模糊控制 2 ． 1 输入输出变量的模糊化 基于考虑大干扰、强耦合的思路，利用模糊控 制器本身 的解耦性特 点 ，在控 制器 结构上 实现解 耦 ，将多输入的模糊控制器分解为二输入单输出的 模糊控制器 ，并采用间接模糊解耦方法 ，X --输入 单输出模糊控制器的进行解耦，使之分解成为2个 子系统的相交组合 J 。其模糊控制器的结构如图 1 所示。输入变量设计为瓦斯浓度和风速 ，输出变量 为控制变频器 的输入电压。模糊控制器两个子系 统的输出电压 ． 、 通过取平均值 ，转换成 0 ～ 1 0 V的模 拟电压 ，引到变频 器 的输 入控 制接 口， 从而调节变频器的输出电压和频率，由此改变局部 通风机的转速 ，达到控制通风量的目的。为实现合 理的控制，选择系统偏差 E和偏差变化率 作为 输入变量，调节量的变化作为输出量。 莲 一 藿 l I 掘 进 l- 作 瑚 图 1 掘进通风模糊控制系统结构 瓦斯浓 度偏 差 论 域取 为{ 8，7，6 ，5，⋯， 1 ，0} ，模糊语言集为 { P V，P B ，P M，P S，Z E} ， 偏差语言变量描述为{ 很大偏差 ，大偏差 ，中偏 差，小偏差，无偏差 } 。偏差变化率以 1 个采样时 间计算 ，其 变化率 的公式 为 E E 一E E 、 E 为采样时刻t 、t 一 1 的偏差量 ，选偏差变化率 E 的论 域 为{一5 ， 一4 ， 一3 ，⋯ ，3 ，4，5} ， E 的模糊语言集 为 { N B，N S ，0，P S ，P B} ，语 8 言表示为 { 负大，负小，零，正小，正大 } 。风速 的偏差及偏差变化率论域为 { 一5 ， 一 4 ， 一 3 ， ⋯ ，3 ，4 ，5 } ，语言变量均为 { N B，N S ，0，P S ， P B } 。通风量级别输出的论域设定为 { 8 ，7 ，6 ， ⋯ ，2 ，1 ， 0 } ，分别对应于变频器的控制输入端， 语言描述为 { 低速，较低速，中速，较大速，额 定转速 } ，分别用{ A，B，C，D，E}表示 。各模 糊变量在论域 内的隶属函数如图 2 ～4所示 。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 E Ef 图2 瓦斯浓度偏差 隶属度函数 图3 输出控制量的 隶属度函数 N B N S O PS P B 一 5 4 3 2 - 1 ， 0 1 2 3 4 5 E 图4 风速偏差及偏差变化率隶属度函数 2 ． 2 模糊控制规则的确定 根据实现操作过程中遇到的各种可能出现的情 况和相应的控制策略，总结出瓦斯浓度的变化和风 速的变化的模糊控制规则为表 1 、表 2 。 表 1 瓦斯浓度一通风量控恻规则 2 ． 3 通风量模糊控制表的求取 根据上述模糊控制规则，以及偏差、偏差变化 率的隶属度曲线，可以推理出各子系统的模糊控制 表 表 3 、表 4 ，通过单片机在线查询，然后选 取中值作为通风控制量 。 维普资讯 第3 l 卷 第4 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 3 年4 月 裹2 风速 一通风量控制规则 模糊控制表的推理过程 采样得到瓦斯浓度偏 差及偏差变化率后 ，乘以相应的量化 因子转换到相 应的模糊论域 ，经过模糊化处理 ，用最大隶属度法 从隶属度曲线可求出偏差及偏差变化率的语言值， 再从模糊控制规则表 l 可得控制变量的语言值，最 后从输出控制量的隶属度曲线得到输出量的控制等 级。以此可分别推理出2 个子系统的模糊控制表。 3 硬件系统结构及实验 为提高系统可靠性和安全性，系统选用了高低 浓度组合的瓦斯传感器及本安型风速传感器。模糊 控制器采用 M C S一 5 l 系列单片机，A ／ D转换器选 用双积分型 l 2位 的 I C L 7 1 0 9，这 种器件具有精度 高、低噪声、低漂移的特点，而且具有很强的抗工 频干扰能力，系统专门扩展 了一片 4 k字节的 E P R O M用来存贮系统的设定值及模糊控制表的数 据 。所控制的变频器参数为 3 8 0 ／ 6 6 0 V，工作电流 l 0 A，额定功率 l l k W，变频范 围5～ 5 0 H z 。受控 风机的型号为 B K J 5 6一N o 5 ，功率 5 ． 5 k W，出风量 1 2 0 m ／ mi n 。在模 拟独头巷道 的环境下 ，用 长 5 0 m、直径 4 6 0 m m 的 风筒 压入 送 风，设 定风 速 为 0 ． 2 m／ s ，瓦斯浓度以模拟 电压提供 ，测得 局部通 风机电机的电流如下 瓦斯浓 度／ ％ 1 ． 0 电机电流／ A 2 ． 3 3 ． 1 4 ． 3 5 ． 6 6 ． 2 8 ． 0 通过实验证明 ，利用监测瓦斯浓度及风速 ，通 过模糊控制来调节局部通风机的通风量是完全可行 的。采用模糊控制算法，与其它的方法相比更容易 实现，控制更简单，可靠性更高，不需要复杂的难 以确切描述的通风系统数学模型。该控制方法对解 决掘进通风安全问题十分有效，不仅能提高掘进工 作面的供风质量，保证在任何情况下的正常供风， 减少事故的发生，保证安全生产，使自动化水平得 到提高，而且风机的节能效果十分显著，在实际应 用 中有着很好的发展前景 。 参考文献 [ 1 ] 达善荣．煤矿风机变频调速技术的应用[ J ] ．煤矿机电， 2 0 0 0 4 ． [ 2 ] 孙继平．矿井 甲烷 、一氧化碳和温度传感器的布置 [ J ] ． 煤炭科学技术 ，2 0 0 0 1 ． [ 3 ] 臧小杰 ，王焱．模糊控制理论在煤矿通风安全自动化 系 统中的应用 [ J ] ．中国安全科学学报，2 0 0 0 6 ． [ 4 ] 刘曙光， 魏俊民．模糊控制技术 [ M] ．北京中国纺织出 版社 ，2 0 0 1 ． 作者简介祝龙记 1 9 6 4一 ，男，安徽安庆入，副教授，现 为中国矿业大学北京校区博士研究生，主要研究方向为煤矿自动控 制及智能监控。 收稿 日期2 0 0 21 2 1 6 ；责任编辑王宗禹 9 7 6 5 4 3 3 2 2 O 7 7 5 4 4 3 3 2 O 7 7 6 5 4 4 3 3 O 7 7 6 5 4 4 4 3 O 8 7 7 6 5 4 4 3 O 8 7 7 6 6 5 5 4 O 8 8 7 6 6 6 5 4 O 8 8 8 6 6 6 5 5● 8 8 8 6 6 6 6 5 2 8 8 8 8 8 7 6 6 2 8 8 8 8 8 7 7 6 3 8 7 6 5 4 3 2 1 O 5 3 2 2●O 0 O O O O 5 3 2 2 2●0 0 O O O 6 4 4 3 2●0 O O O O 6 4 4 3 3 2 0 O O O O 6 5 4 4 3 2 l O O O O 6 5 4 4 3 2 l O O O O 6 6 5 4 4 3 2 O O O O 6 6 5 5 4 3 2●O O O 6 6 5 5 4 4 2 ●l 0 O 6 7 6 5 5 4 3 2 2 O O 8 7 6 6 5 4 3 2 2 O O 0 o 。 ， 4 维普资讯